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Une histoire de charges

L‘électronique et l‘électricité sont avant tout une histoire d‘échanges de particules chargées. Une particule chargée, que l’on appelle communément une charge, est une particule sensible à l‘énergie électrostatique et électromagnétique. Dans le cadre de l‘électricité, les charges désignent exclusivement des électrons qui sont les particules négatives qui normalement tournent autour du noyau des atomes. Certains éléments présentent la particularité d’avoir des électrons «balladeurs», ils se promènent erratiquement d’atome en atome, ils sont appelés matériaux conducteurs.

Dénombrer des électrons pour compter les charges est une chose très fastidieuse car les électrons sont très petits et très nombreux. On utilise plutôt un autre type de mesure : le Coulomb (noté C) qui représente une quantité de charges élémentaires et donc une quantité élementaire de charges. Pour information, un charge d’un coulomb représente environ la charge de 6,2 milliards de milliards d‘électrons.

Les aurores boréales naissent de l’ionisation des molécules de la haute atmosphère percutées par des particules chargées provenant du soleil.

La tension électrique

D’après wikipedia , «la tension électrique représente le travail de la force électrique sur une particule chargée, divisé par la valeur de la charge». Une tension à proprement parler représente donc quantité d‘énergie (un travail) par rapport à une charge électrique. Une tension est le plus souvent représentée dans un schéma électrique par la lettre U qui est la première lettre du mot latin Urego qui signifie presser pousser. Son unité est le Volt (V).

Soumettre une charge, mettons un électron, à une tension consisterait à lui donner de l‘énergie pour le presser / pousser quelque part. Mais où ? Cette énergie, la charge va chercher à la perdre et va se précipiter partout où le niveau d‘énergie est moindre pour établir un équilibre électrique. Si on considère un ensemble de tuyaux pleins d’eau, on crée une pression à un endroit du réseau, les molécules d’eau ainsi pressées vont se ruer vers des endroits où la pression est moindre et ainsi établir un équilibre des pressions. La création d’une tension pourrait être décrite en ces termes : «donner de l‘énergie à des charges électriques», le but de l‘électronique est de transformer cette énergie en un travail qui nous est utile.

La tension ainsi vue ne peut s’exprimer seule, c’est à dire qu’il nous faut un repère pour dire que cette particule est à 8V de quelque part un peu comme si je vous disais que l’altitude du mont blanc est de 6000m oui mais par rapport à quoi ? Une tension est donc dans le cas qui nous préoccupe une différence de potentiel entre deux espaces de charges. De la même façon qu’on parle de distance, il faudra, lorsqu’on veut exprimer une tension, bien définir entre quels points nous la mesurons. La plupart du temps, on décide qu’un espace particulier est la référence (le niveau de la mer pour l’altitude) que l’on place arbitrairement à 0V, cela nous permet ainsi de situer les énergies relatives de tous les autres points d’un circuit par rapport à cette référence.

Il existe plusieurs moyens de créer une tension électrique entre deux points, les plus connues utilisent l‘énergie chimique ou électromagnétique. La première pile mise au point par Alexandre Volta utilise l‘énergie chimique et le mécanisme est grossièrement le même que celui des piles électriques que nous trouvons aujourd’hui. Mais ce mécanisme est vite insatisfaisant pour produire des tensions élevées. Pour cela, il faut recourir aux lois électromagnétiques qui permettent de créer (exemple : une dynamo) mais aussi de multiplier des tensions électriques. La différence entre les deux est qu’une pile produit une tension constante — appelée tension continue — entre ses bornes là où une dynamo va produire une tension variable, appelée tension alternative.

Pile de Volta
(Photo Luigi Chiesa/Wikimedia common)

L’intensité

Si deux espaces de charges présentant une différence de potentiel sont mis en contact par le biais d’un conducteur de charges, par exemple du métal, de l’eau salée, un barre de carbone, des charges vont circuler dans le conducteur pour équilibrer les deux espaces en libérant l‘énergie correspondante à leur différence de potentiel. On pourra comparer cela à un lac d’altitude se déchargeant dans un lac en contrebas d’une vallée. Cette circulation de charges s’appelle une intensité et correspond au débit de charges par seconde. L’unité de l’intensité est l’Ampère et se note A.

Un débit d’un ampère est égal à une circulation d’un coulomb de charges par seconde. Plus scientifiquement,

• I = dC/dt

c’est à dire que l’intensité représente la variation de charges dans le temps en un point.

L’intensité est le fruit de la tension, c’est le débit du courant électrique dans un conducteur entre deux points présentant une différence de potentiel. Pour comprendre comment circule le courant dans un conducteur, il faut imaginer un jeu d‘étoile chinoise où les billes sautent de trou en trou. Si on associe une charge à une bille, celle ci ne peut bouger que si un atome voisin possède une place libre (un trou). Si par exemple vous touchez une des deux bornes d’une pile à l’aide d’une tige en argent, il ne se passe rien car votre fil, qui ne possède pas de «trous», passe soudainement au potentiel de la borne que vous touchez. Les charges ne peuvent pas circuler. Pour reprendre l’analogie des tuyaux pleins d’eau, la pile serait un compresseur et la tige un tuyau plein d’eau mais bouché. L’eau ne peut circuler mais l’eau du tuyau est désormais à la pression que lui envoie le compresseur. L’intensité est bien indicatrice d’une circulation des charges donc d’un courant électrique.

Si cette fois à l’aide de la tige en argent, vous touchez les deux bornes de la pile (ce qui n’est pas à faire) alors celle ci essaye d‘épancher son déséquilibre électronique en créant la plus grosse intensité possible qui, heureusement est limitée par la structure physique même de la pile (souvent en la détruisant) : votre tige chauffe, du courant circule, nous venons de créer un court-circuit.

Un court-circuit provoqué par une batterie
(Photo Mde/Mediawiki common)

Essayer de créer des intensités par ce moyen est une très mauvaise idée car, comme nous l’avons vu, les tensions vont chercher à s‘équilibrer en échangeant le plus de charges possibles, si rien ne freine l‘échange de charges, l’intensité peut atteindre des valeurs très importantes et créer des échauffement qui permettent, par exemple, de souder des rails de chemin de fer entre eux.

• deux points reliés par un conducteur parfait n‘échangent pas de charge et sont au même potentiel.

• si on place un conducteur parfait entre deux points entre lesquels il existe une différence de potentiel, les charges vont s‘équilibrer instantanément en créant une intensité infinie : un court circuit.

Tube de Crookes qui a permis la découverte des électrons et leur circulation.
L’ancêtre des téléviseurs à tubes.
(Photo D-Kuru/Wikimedia Commons)

La résistance

Dans le paragraphe précédent, nous avons utilisé un raccourci entre intensité et échauffement. Quel est le rapport entre les deux ? En fait, un conducteur parfait ne chaufferait pas et serait capable de faire passer un courant d’intensité infini. Évidemment, il est aisément concevable que la structure même de la matière ne permet pas cela et qu’au bout d’une intensité limite, le conducteur sature. Que se passe-t-il alors ? Certaines charges vont alors troquer leur énergie électrique en chaleur ! Comme nous l’avons vu plus haut, le travail électrique par charge est la définition même de la tension. En résistant à l’intensité, le conducteur chauffe, il crée ainsi une tension entre le point d’entrée et de sortie des charges !

C’est exactement ce qui se passe dans une ampoule électrique. Imaginez que votre prise électrique est une source de charges inépuisable et que ses deux fils, par la tension qui existe entre eux, vous permettant de faire circuler ces charges. Si on connecte l’ampoule entre ces deux potentiels, le petit fil électrique dans l’ampoule qu’on appelle filament est alors un court circuit, l’intensité augmente très vite. Seulement, la résistance du filament n’est pas nulle et même mieux, elle augmente avec sa température ! Le filament va ainsi chauffer jusqu’au blanc avant que sa résistance n’augmente assez pour qu’un équilibre se fasse. Le filament va équilibrer la tension qu’on impose à ses bornes en créant une résistance du fait de son échauffement et limiter ainsi l’intensité qui le traverse. Ce système est d’ailleurs très peu rentable car 99% de l‘énergie électrique est ainsi dispensée en chaleur et seulement 1% en lumière.

Un filament porté au rouge à l’intérieur d’une ampoule à incandescence
(Photo Arnoldius/Wikimedia Common)

La loi qui régit les 3 grandeurs que nous venons de voir est la formule de base de l‘électronique : la loi d’Ohm :

• U = R x I

La tension aux bornes d’un conducteur est égale à la résistance du conducteur multipliée par l’intensité qui le traverse.

Si la lampe est alimentée sous 230V (le secteur EDF) et que nous mesurons qu’un courant de 0,4A la traverse, nous pouvons déterminer quelle est sa résistance : 230V / 0,4A = 575 V/A

Dans cet exemple, nous pouvons constater que la mesure de la résistance est en Volt par Ampère. Exprimer une résistance c’est donner la tension qui se crée entre les bornes d’un élément en fonction de l’intensité qui le traverse. Cette caractéristique est extrêmement utile car n’importe quel élément présentant une résistance constante va assurer une tension à ses bornes à partir d’une intensité donnée. De la même façon, un élément présentant une résistance traversé par une intensité constante, développe à ses bornes une tension constante.

Tous les matériaux présentent une résistance aux charges qui varient selon leur température, plus la température est élevée, plus les atomes sont agités et rendent la circulation des charges difficile. La résistance de chaque matériel dépend également de facteurs tels que leur taille, leur composition etc etc. La résistance d’un conducteur est exprimée en Ohms et son symbole est l’oméga Ω. La loi d’Ohm est l‘équation de base de l‘électronique car elle établit un lien entre ses deux grandeurs fondamentales.

Une résistance : le composant le plus utilisé en électronique.
(Photo Afrank99/Wikimedia Common)

De ce que nous venons de voir, tous les matériaux résistifs qui laissent passer du courant créent une différence de potentiel entre les points d’entrée et de sortie du courant. Ce faisant, ils dissipent de l‘énergie. Cette énergie dissipée en un instant t est appelée puissance est fonction de la différence de potentiel et de l’intensité qui traverse le matériau :

• P = U x I

La puissance électrique est une grandeur qui s’exprimait autrefois en Volt-Ampère (VA) et aujourd’hui beaucoup plus souvent en Watt.

Si l’on combine cette formule avec la loi d’ohm, on peut facilement trouver la puissance dissipée par un matériau en fonction de sa résistance :

• P = U x I et U = R x I

• => P = (R x I) x I

• => P = R x I²

ou encore

• => P = U x (U / R)

• => P = U²/R

Si nous reprenons l’exemple de la lampe du début de ce chapitre, la puissance dissipée par son filament est 230V x 0,4A = 92W.

Rappel des formules

• Intensité : I = dC/dt (I en ampères, C en coulombs, t en secondes)
• Loi d’Ohm : U = R x I (U en volts, R en ohms, I en ampères)

• Puissance : P = U x I (P en watts, U en volts, I en ampères)

Commentaires

Les commentaires utilisent la bibliothèque Textile restreinte. Amusez vous bien !

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    Posté le 10 octobre 2010 19:11 par sonia

  à quand la suite !! j’ai tout compris !

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    Posté le 16 octobre 2010 13:03 par dayoud

  Top l’article ! La suite vite !
  Par contre, c’est moi où il y a un pb avec les photos ?

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    Posté le 16 octobre 2010 13:04 par dayoud

  pour les photos, c’est moi le boulet.

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